CN109650891B - 一种碳基贯穿型碳陶复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳基贯穿型碳陶复合材料，该复合材料由生焦和陶瓷混合烧结而成；陶瓷分布于碳基材料内部碳桥气孔中形成网络贯穿结构的碳陶复合材料。具体制备方法步骤如下：S1、将碳材料粉末与陶瓷粉末混合后成型制成柱状材料；S2、将柱状材料置于真空炉中，升温至650‑750℃恒温烧结2h，然后升温至2100℃恒温烧结4h后，自然冷却，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。本发明的碳陶复合材料除具有碳材料的特点外还具有陶瓷材料的特点，材料的机械强度高、自润滑性、耐腐蚀性，耐高温性良好，耐磨性好，产品的使用周期长，也可通过前期备料，缩短产品的加工周期，实现批量化生产。

Description

一种碳基贯穿型碳陶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新型复合材料技术领域，具体涉及一种碳基贯穿型碳陶复合材料及其制备方法。
背景技术
碳-石墨材料由于其自身良好的自润滑性、化学稳定性、耐高温等特性，广泛的应用在石油、化工、机械、冶金、航空、航天、核电等行业，但由于碳石墨材料属于脆性材料，其本身的固有强度并不高，因而使用范围受到了很多限制，为了提高其机械强度，通常会通过与陶瓷等复合来增强。
目前，传统的碳-陶复合工艺主要包括：气相反应、气相沉积。一般是把经过特殊处理的，并完整加工好的碳石墨零件，通过气相反应或气相沉积，在其表面生成一层碳陶复合材料，而表面层仍有10-15％未反应石墨。因此这类产品既有极高的表面硬度又有好的自润滑性和突出的耐腐蚀性。
但由于碳石墨表面生成的碳陶复合层厚度较薄，被复合材料内部组织没有发生变化，因为工艺要求，被复合的碳材料的气孔率一般10％以上，这种表面复合工艺，是无法有效地降低材料内部气孔率，使其无法从根本上提升材料的机械强度，甚至使用一段时间后，碳陶复合层磨损后，产品的表面硬度及抗氧化性能失效，产品的使用周期短，且无法提前备料，加工周期长，生产过程中环境污染严重，生产成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的碳基贯穿型碳陶复合材料及其制备方法。
本发明提供的碳基贯穿型碳陶复合材料是一种由陶瓷材料分布于碳基材料内部碳桥气孔中形成网络贯穿结构的碳陶复合材料。该复合材料由生焦和陶瓷混合烧结而成。所述陶瓷材料中二氧化硅含量95％以上。复合材料中陶瓷的质量百分含量为5～15％。
上述碳基贯穿型碳陶复合材料的制备方法，主要是由原料生焦和陶瓷混合成型后置于真空炉中烧结而成。具体包括如下步骤：
S1、将碳材料粉末与陶瓷粉末混合后采用冷等静压成型方法制成柱状材料；其中，碳材料是粒度1000-1200目的生焦，陶瓷是单一组分的二氧化硅材料，粒度600-800目，陶瓷含量为为5～15％。
S2、将柱状材料置于真空炉中，升温至650-750℃恒温烧结2h，然后升温至2100℃恒温烧结4h后，自然冷却，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。
优选的是，所述步骤S2中，依次在650-750℃范围内恒温烧结2h，900-1000℃范围内恒温烧结3h，1600-1700℃范围内恒温烧结4h，2100℃恒温烧结4h，冷却后，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。
进一步优选的是，所述步骤S2中，依次在700℃恒温烧结2h，950℃恒温烧结3h，1700℃恒温烧结4h，2100℃恒温烧结4h，冷却后，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。
通过恒温一定时间使得柱状材料的内外温度一致。700℃时恒温2h使得材料的内部气孔打开；950℃时恒温3h使内部陶瓷充分软化；1700℃恒温4h使粘结剂碳化，收缩，碳原子从新排列，里面的陶瓷充分流动；2100℃恒温烧结4h才能保证材料的最终性能，里面的粘结剂才完全碳化，收缩，碳原子从新排列，里面的陶瓷也才能充分的流动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的复合材料特点是利用碳基材烧结升温过程中，在碳桥形成阶段碳材料体积受热膨胀与收缩特点和材料中陶瓷粉末受热软化和逐步具有流动性的特点，在特定的温度段，利用碳材料碳桥形成时的收缩特点挤压软化的陶瓷使其发生塑性变形，并随着温度的升高在碳桥内流动贯穿，由此形成碳与陶瓷的贯穿，这种碳、陶贯穿结构的复合材料，材料内部呈网络贯穿结构，这种复合材料除具有碳材料的特点外还具有陶瓷材料的特点。在升温至400℃到700℃时，碳的基体材料(生焦)中由于本身含有粘结剂(例如石油通过焦化处理后得到的物质)会依次经历膨胀-碳化-收缩这一过程，而陶瓷在600℃时开始软化，700℃时陶瓷具有一定的流动性，而此时碳基体刚好收缩，通过收缩挤压，陶瓷在碳基体内部形成全部网络贯穿结构，从而形成碳陶复合材料，该复合材料内外材料组成一致。而传统工艺只是让碳石墨表面生成一层碳陶复合材料，内部材料没有变化，且由于工艺需要，本体材料的气孔率较大，机械强度不高。
(2)由于陶瓷在碳基内部的碳桥网络形成贯穿结构，复合材料的气孔率小，机械强度高，自润滑性，耐腐蚀性，耐高温性良好，且由于内部全部网络贯穿，耐磨性好，产品的使用周期长，也可通过前期备料，缩短产品的加工周期，实现批量化生产。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、贯穿型碳陶复合材料烧结升温曲线图。
图2、碳陶复合材料的金相照片。
图3、碳陶复合材料的电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
一种碳基贯穿型碳陶复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、将粒度1000-1200目的生焦与粒度600-800目的二氧化硅混合均匀，其中，陶瓷含量为5～15％，然后采用冷等静压成型方法制成柱状材料。
S2、将柱状材料置于真空炉中，升温至700℃恒温烧结2h，然后升温至950℃恒温烧结3h，再升温至1700℃恒温烧结4h，最后升温至2100℃恒温烧结4h，自然冷却后，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。具体升温曲线如图1所示。
图2是该实施例制备的复合材料在200倍放大条件下的金相照片，由图中可以看，复合材料材料质地均匀，无颗粒大小之分，无界线。
图3是该实施例制备的复合材料在8000倍放大条件下的电镜照片，由图中可以看出，复合材料中陶瓷材料均匀分布，已形成了全部的网络贯穿碳桥结构。
实施例中制备的贯穿型碳陶复合材料与传统工艺制备的碳陶复合材料的性能对比如表1所示。可以看出，本发明的新型碳陶复合材料的硬度、强度、体积密度、气孔率以及热膨胀系数等性能均明显优于传统工艺制备的碳陶复合材料。
表1、贯穿型碳陶复合材料与传统的碳陶复合材料的性能测试
样品性能 肖氏硬度 体积密度 抗折强度 抗压强度 气孔率 热膨胀系数
贯穿型碳陶复合材料 HS110 1.95g/cm<sup>3</sup> 100Mpa 300Mpa 1 5.5
传统碳陶复合材料 HS100 1.79g/cm<sup>3</sup> 65Mpa 150Mpa 2 4
综上所述，本发明提供的贯穿型碳陶复合材料由于陶瓷在碳基内部的网络贯穿结构，材料的机械强度高、自润滑性、耐腐蚀性，耐高温性良好，由于内部全部网络贯穿，耐磨性好，产品的使用周期长，也可通过前期备料，缩短产品的加工周期，实现批量化生产。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种碳基贯穿型碳陶复合材料，其特征在于，陶瓷材料分布于碳基材料内部碳桥气孔中形成网络贯穿结构的碳陶复合材料；
该复合材料由生焦和陶瓷粉末混合烧结而成；具体制备方法包括如下步骤：
S1、将碳材料粉末与陶瓷粉末混合均匀后用等静压机成型制成柱状材料；
所述碳材料为生焦；
所述陶瓷粉末是二氧化硅；
S2、将柱状材料置于真空炉中，升温至650-750℃恒温烧结2h，然后升温至2100℃恒温烧结4h后，自然冷却，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。
2.如权利要求1所述的碳基贯穿型碳陶复合材料，其特征在于，所述陶瓷粉末中二氧化硅含量95%以上。
3.如权利要求2所述的碳基贯穿型碳陶复合材料，其特征在于，该复合材料中陶瓷粉末的质量百分含量为5～15%。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述碳基贯穿型碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，由原料生焦和陶瓷粉末混合成型后置于真空炉中烧结而成；
包括如下步骤：
S1、将碳材料粉末与陶瓷粉末混合均匀后用等静压机成型制成柱状材料；
所述碳材料为生焦；
所述陶瓷粉末是二氧化硅；
S2、将柱状材料置于真空炉中，升温至650-750℃恒温烧结2h，然后升温至 2100℃恒温烧结4h后，自然冷却，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。
5.如权利要求4所述碳基贯穿型碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，碳材料是粒度1000-1200目的生焦，陶瓷粉末的粒度600-800目，陶瓷粉末的含量为5～15%。
6.如权利要求5所述碳基贯穿型碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中采用冷等静压成型方法制成柱状材料。
7.如权利要求4所述碳基贯穿型碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，依次在650-750℃范围内恒温烧结2h，900-1000℃范围内恒温烧结3h，1600-1700℃范围内恒温烧结4h，2100℃恒温烧结4h，冷却后，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。
8.如权利要求7所述碳基贯穿型碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，依次在700℃恒温烧结2h，950℃恒温烧结3h，1700℃恒温烧结4h，2100℃恒温烧结4h，冷却后，得到碳基贯穿型碳陶复合材料。
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